Automatyzacja procesów spawania


Źródło: Lincoln Electric Bester

 

Spawanie należy niewątpliwie do najczęściej automatyzowanych procesów produkcyjnych. Automatyzacja w tym obszarze umożliwia zwiększenie wydajności produkcji oraz osiągnięcie powtarzalności wytwarzanych wyrobów. Mimo że w Polsce wciąż dominuje spawanie ręczne, w ostatnich latach można zauważyć wśród przedsiębiorców wzrost zainteresowania automatyzacją procesów spawalniczych.

Ostatnie lata przyniosły wiele istotnych zmian w technologii spawania, na co szczególny wpływ miało wprowadzenie nowoczesnych urządzeń, pozwalających produkować szybciej, lepiej i taniej. Dzięki automatyzacji procesów spawalniczych możliwe jest nie tylko zwiększenie wydajności całej produkcji, ale także wzmożenie kontroli nad parametrami całego procesu spawania, poprawa jakości spoin oraz zminimalizowanie konieczności wprowadzania poprawek, co bezpośrednio przekłada się na oszczędności.

Od spawania ręcznego do automatycznego

Oprócz spawania ręcznego, które wciąż jest stosowane w większości polskich zakładów przemysłowych, przedsiębiorcy korzystają również z innych rozwiązań wspomagających procesy spawalnicze. W celu zwiększenia wydajności procesu i polepszenia jakości wykonywanych złączy stosuje się coraz częściej zmechanizowane, półautomatyczne i automatyczne urządzenia do spawania. Mechanizacja i automatyzacja dotyczą takich czynności, jak: podawanie, podgrzewanie i prowadzenie pręta spawalniczego oraz przesuw palnika.

Jak wynika z przeprowadzonej ankiety redakcyjnej, w zakładach respondentów znajdują zastosowanie: różnego typu urządzenia przeznaczone do mechanizacji spawania (58%), automaty spawające (65%) oraz zrobotyzowane stanowiska spawalnicze (47%).

Jeśli chodzi o mechanizację spawania, typowym sprzętem wykorzystywanym do lekkiej mechanizacji jest kompaktowy wózek spawalniczy, wyposażony w kółka i poruszający się po szynach. Mechanizacja polega w tym przypadku na zmechanizowanym przesuwaniu uchwytu spawalniczego. Spawacz nastawia odpowiednie parametry spawania lub przywołuje program zapisany w pamięci urządzenia. W momencie rozpoczęcia pracy wózek spawalniczy zaczyna się przesuwać wzdłuż rowka, co pozwala osiągnąć niezmiennie wysoką jakość spoiny. Zadaniem spawacza jest czuwanie nad przesuwem wózka i monitorowanie jakości wykonywanego złącza. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest znaczne przyspieszenie pracy. Lekka mechanizacja pozwala w prosty sposób zwiększyć wydajność spawania oraz poprawić ergonomię i bezpieczeństwo pracy. Na uwagę zasługuje fakt, że spawacz jest w znacznie mniejszym stopniu narażony na promieniowanie łuku i dymy powstające w trakcie spawania, a jego pozycja w czasie pracy jest dużo bardziej komfortowa. W tym wypadku ciężką pracę fizyczną wykonuje maszyna, dzięki czemu człowiek może się skupić na zapewnieniu jak najlepszej jakości.

Jak wyjaśnia Dariusz Wabik, Sales Manager w firmie FANUC, polski przemysł to przede wszystkim spawanie ręczne. Wiele zakładów może się pochwalić posiadaniem od kilku do kilkudziesięciu ręcznych stanowisk spawalniczych. Zdecydowana większość produktów jest spawana ręcznie. Mamy też przykłady polskich fabryk, gdzie wciąż stosuje się tak zwane automaty spawalnicze. Niektóre przedsiębiorstwa zaufały technologii opartej na automatach krzywkowych lub innych rozwiązaniach nieelastycznych. Jednak z uwagi na coraz częściej wprowadzane zmiany konstrukcyjne produktów, a także dynamicznie zmieniające się serie produktów, dla wielu producentów metody te stają się już niewystarczające. W efekcie obserwuje się zwiększone zainteresowanie elastycznymi środkami automatyzacji przeznaczonymi do procesów spawania.

Zdanie to podziela Bartosz Głogowski, specjalista ds. Rozwoju Biznesu Automatyzacja w firmie Lincoln Electric Bester. Również w jego opinii w Polsce w ostatnich latach można zauważyć zwiększające się zainteresowanie automatyzacją procesów spawalniczych. Rosnące koszty pracy, mniejsza dostępność specjalistów, pozyskiwanie większej liczby zleceń oraz nacisk na ustabilizowanie jakości sprawiają, iż wiele firm zaczyna coraz bardziej interesować się tym tematem. Ponadto dostępność środków z funduszy unijnych sprawia, że wiele firm może zaplanować inwestycje, które jeszcze przez wiele lat byłyby nie do udźwignięcia przez ich budżet. Mimo wszystko pieniądze wciąż są głównym hamulcem powodującym, że na tle Europy Zachodniej jesteśmy nadal rynkiem nadrabiającym opóźnienia pod tym względem – duża część zakładów ciągle opiera swój zakład na produkcji manualnej.

Według Bartosza Głogowskiego najczęściej spotykanymi rozwiązaniami są te o niskich nakładach inwestycyjnych, takie jak proste mechanizacje spawania w postaci traktorków spawalniczych, pozycjonerów czy obrotników. W Polsce jest jednak coraz więcej zakładów wykonujących konstrukcje spawane w większości zautomatyzowanych procesów – szczególnie te koncentrujące się na wyspecjalizowanej produkcji. Są firmy, w których spawanie manualne należy do czynności wykończeniowych przy dodatkowych elementach. Również jest wiele zakładów spawających te same drobne elementy w tysiącach sztuk, przez co zostały w znacznym stopniu zrobotyzowane. Jednak – jak podkreśla ekspert – trzeba pamiętać o tym, że nie wszystkie czynności da się zautomatyzować. Część firm z tego segmentu koncentruje się na wykonawstwie pojedynczych konstrukcji o specyficznych kształtach, których produkcji nie ma sensu automatyzować.

W opinii przedstawiciela firmy Lincoln Electric Bester sama dostępność rozwiązań na polskim rynku automatyzacji spawania nie różni się zbytnio od tych, które są wdrażane w przedsiębiorstwach operujących na Zachodzie. Zaawansowane rozwiązania są oferowane globalnie, jednak te najnowsze i przynoszące największe korzyści pod względem oszczędności czasu są zazwyczaj najdroższe, przez co zostawiane są na dalsze lata inwestycji. Na tle innych państw szczególnie wyróżnia nas krajowa oferta w procesie przygotowawczym do spawania – zautomatyzowanego cięcia metali, gdzie istnieje duża konkurencja oraz szeroki wachlarz rozwiązań.

Cena – najważniejsze kryterium wyboru

Jak widać na rys. 1, trzema nadrzędnymi czynnikami branymi pod uwagę przy inwestycjach w automatyzację spawania są: cena zakupu (76%), jakość (65%) oraz parametry techniczne (59%). Duże znaczenie mają też: wsparcie techniczne producenta/dostawcy (47%), marka producenta (41%), a także czas udzielanej gwarancji oraz okres zwrotu z inwestycji (29%). Decydując się na automatyzację procesów spawalniczych, część respondentów zwraca też uwagę na takie aspekty, jak: brak lub niedobór wykwalifikowanych spawaczy (24%), kraj pochodzenia (18%) oraz opinia innych użytkowników (12%).

Natomiast zdaniem Dariusza Wabika z firmy FANUC do niedawna jednym z głównych kryteriów wyboru stanowiska zrobotyzowanego do spawania była cena. Jednak – jak zauważa ekspert – w ostatnich latach klienci zaczęli zwracać uwagę na to, co tak naprawdę wchodzi w skład kosztu zakupu robota. I zauważają, że taniej nie zawsze oznacza lepiej. Szczególnie kiedy mówimy o technologii, która ma zapewnić firmie konkurencyjność i przyczynić się do jej wzrostu w kolejnych latach. Tacy klienci znacznie częściej pytają o niezawodność urządzeń, dostęp do wparcia technicznego przed wyborem i po zakupie aplikacji zrobotyzowanej, a także doświadczenie i referencje integratora. Niezawodność oraz dostępność serwisu są ważnymi kryteriami robota zarówno w Polsce, jak i w innych krajach. Zdaniem eksperta z firmy FANUC Polska warto zdecydować się na skorzystanie z oferty firmy, która obejmuje w tym zakresie najwyższe standardy. Przykładem mogą być: usługi wsparcia technicznego dostępne w każdym regionie Polski, możliwość korzystania ze szkoleń, usług serwisowo-przeglądowych i doradczych, czy też ze wsparcia globalnego serwisu, który zapewnia m.in. dostępność części zamiennych do produktów w całym okresie ich użytkowania.

Natomiast co do parametrów technicznych odgrywających kluczową rolę w przypadku automatyzacji uczestnicy badania wskazali przede wszystkim na: wydajność (82%), niezawodność (82%) i łatwość obsługi (76%). Jak widać na rys. 2, za inne istotne parametry techniczne zostały uznane: elastyczność zastosowań (47%), energooszczędność (47%) oraz rozwiązania przyjazne środowisku (24%).

Od robotów do cel spawalniczych

Wśród rozwiązań dostępnych na rynku znajdują się zarówno roboty spawalnicze (w tym również te o dużych zasięgach), pozycjonery (urządzenia pozwalające automatycznie manipulować spawanym elementem, podczas gdy robot realizuje swój program ruchu), zrobotyzowane stanowiska spawalnicze oraz kompaktowe cele spawalnicze. Wymienione rozwiązania umożliwiają budowę zarówno ekonomicznych rozwiązań dla małych firm, jak i w pełni automatycznych, zaawansowanych stanowisk spawalniczych przeznaczonych dla dużych zakładów z produkcją wielkoseryjną. Jeśli chodzi o roboty, wielu producentów zdecydowało się na wprowadzenie na rynek całych serii robotów przygotowanych specjalnie z myślą o aplikacjach spawalniczych, inni natomiast oferują do omawianych aplikacji urządzenia uniwersalne.

Jak wyjaśnia przedstawiciel firmy FANUC, współczesny robot spawalniczy nie jest już tylko urządzeniem mechanicznym, służącym do wydajnego spawania. Obecnie jest to inteligentne narzędzie pozwalające w optymalny sposób zaplanować proces spawania, a następnie go perfekcyjnie zrealizować. Producenci wciąż pracują nad udoskonaleniem konstrukcji swoich robotów i wprowadzają jednostki nowej generacji gwarantujące znacznie większą wydajność pracy. Zwiększona pamięć, zdalna komunikacja z aplikacją na tablet czy telefon, zintegrowane przewody w ramieniu robota to tylko niektóre z dodatkowych funkcji, które pozwalają przy pomocy robotów sprawnie realizować najbardziej wymagające procesy spawania. Co ciekawe, niektóre roboty mają możliwość połączenia ze źródłami spawalniczymi wszystkich renomowanych marek, jak również mogą być montowane zarówno w pozycji standardowej, jak i na suficie, a także pod kątem. Umożliwia to łatwiejszy dostęp do wielu miejsc w przestrzeni oraz maksymalizację zakresu pracy. Ciekawym rozwiązaniem jest też dostępność opcji wykorzystującej standardowy system wizyjny umieszczany w kontrolerze robota spawalniczego do kontroli i korygowania punktu centralnego narzędzia TCP podczas procesu spawania. Operacja kalibracji TCP skraca się tym samym do absolutnego minimum, a ewentualne odchyłki TCP pojawiające się podczas spawania – większe niż połowa średnicy drutu, czyli niedopuszczalne ze względu na znaczne pogorszenie efektu końcowego spawania – są na bieżąco kompensowane. Tym samym nie jest już zagrożona wytrzymałość połączenia, a w przypadku pracy dwóch robotów w jednej celi, których ścieżki uzupełniają się nawzajem lub przenikają, nie ma możliwości pojawienia się problemów z niespójnością. Dzięki temu można zapobiec przerwom w produkcji lub znacznie ograniczyć ryzyko pojawienia się sytuacji, w których będzie trzeba przerwać cały proces spawania.

Warto wspomnieć też o zasięgu pracy robotów spawalniczych, który w zależności od wybranego rozwiązania może wynosić nawet do prawie czterech metrów. Dzięki temu robot z powodzeniem może pracować nad detalami wielkogabarytowymi oraz bez trudu dosięga miejsc trudno dostępnych. W celu ułatwienia spawania trudno dostępnych miejsc oraz zredukowania czasu cyklu w niektórych przypadkach stosuje się kilka robotów do spawania jednego detalu. Warto dodać, że w wyniku ustawienia kilku robotów bardzo blisko siebie można uzyskać dużą moc spawania w jednym miejscu i czasie, w znaczący sposób zwiększając produkcję.

Mówiąc o rozwiązaniach z dziedziny zrobotyzowanego spawania, należy wspomnieć też o celi spawalniczej – kompletnym mobilnym stanowisku, które może zostać wyposażone w dowolny pozycjoner, źródło spawalnicze, odciąg spalin oraz stację czyszczącą. Zastosowanie celi jest szczególnie polecane przy produkcji wielkoseryjnej, w której kluczowym parametrem jest wydajność osiągana w wyniku pełnej automatyzacji procesu spawania. W przeciwieństwie do zrobotyzowanych linii cele spawalnicze charakteryzują się zwartą i kompaktową budową, dzięki czemu można je łatwo transportować oraz szybko zainstalować na hali produkcyjnej. Cele te doposaża się w różnego rodzaju systemy pomocnicze zwiększające funkcjonalność systemu, czego przykładem są systemy wyszukiwania położenia elementów przed rozpoczęciem procesu oraz śledzenie spoiny online, czyli podążanie robota za zmieniającym się położeniem części w trakcie spawania.

Źródło: FANUC

 

Spawanie zrobotyzowane – korzyści

Ze względu na wysokie wymagania stawiane producentom konstrukcji spawanych spawalnictwo jest branżą, w której często (w porównaniu do innych branż) stosowane są roboty przemysłowe. W przypadku wielkoseryjnej produkcji zastosowanie robotów spawalniczych ma szczególne znaczenie, gdyż pozwala na: zredukowanie ryzyka i zagrożeń na stanowisku pracy, realne planowanie produkcji na podstawie powtarzalnych wskaźników, a także minimalizację kosztów zatrudnienia wysoko wykwalifikowanej kadry mającej uprawnienia spawalnicze oraz zmniejszenie nakładów finansowych na szkolenia pracowników (odpowiednie wyszkolenie pracownika generuje olbrzymie koszty i zajmuje dużo czasu).

Nie bez znaczenia jest również ograniczenie zużycia materiałów spawalniczych oraz redukacja kosztów z tym związanych. Robot wykonuje ścieg krócej, jednocześnie pobierając mniej materiału. Poza tym spawanie w wykonaniu robotów generuje mniej odprysków i odpadów materiałów spawalniczych.

Jak wynika z praktyki użytkowników robotów spawalniczych, głównymi korzyściami wynikającymi z ich zastosowania są: duża wydajność i szybkość spawania, wyższy współczynnik wykorzystania źródła spawalniczego, możliwość spawania przy dużych natężeniach prądu bez negatywnego wpływu na zdrowie pracowników, ograniczenie kontroli jakości detali oraz zminimalizowanie liczby detali wadliwych lub uszkodzonych. Co istotne, nowoczesne roboty spawalnicze są wyposażone w oprogramowanie pozwalające na kontrolę procesu wytwarzania. Dzięki programowi możliwe jest śledzenie i zapisywanie parametrów procesu w czasie rzeczywistym. Oprogramowanie robota zawiera funkcję automatycznego korygowania błędów w sytuacji, gdy dochodzi do niepożądanych interakcji z otoczeniem. Funkcja ta pozwala na automatyczne przywrócenie do ustawień pierwotnych.

Duże znaczenie ma także wysoka jakość spoin, będąca następstwem precyzyjnego powtarzalnego prowadzenia fajki spawalniczej i zapewnienia stabilnego ruchu podczas spawania. Dzięki temu, że robot pracuje z niezmieniającą się sprawnością, spawanie zrobotyzowane gwarantuje dużą powtarzalność – spoiny są identyczne, co w przypadku seryjnej produkcji jest szczególnie istotne.

Zdaniem użytkowników tego typu robotów istotną kwestią jest również elastyczność stanowiska, która przejawia się w możliwości przystosowania programu sterującego trajektorią robota do różnych detali w zakresie jednego stanowiska. Dzięki temu, że program można dostosować do potrzeb, roboty spawalnicze z łatwością dopasowują się do nowej technologii wytwarzania. Co ważne, obecne źródła w połączeniu z możliwościami robota spawalniczego umożliwiają wdrażanie technologii, które były praktycznie niemożliwe do zastosowania w procesach manualnych. Procesy spawalnicze, które najczęściej poddaje się robotyzacji, to: spawanie MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas), spawanie TIG (Tungsten Inert Gas), spawanie PTA (PlasmaTransferred Arc), spawanie laserowe (Laser 30 Welding), cięcie laserem (Laser Cutting), cięcie plazmą (PlasmaCutting), cięcie tlenem (OxyfuelCutting), natryskiwanie płomieniowe (FlameSprying) oraz zgrzewanie oporowe.

Warto wspomnieć o tym, że nowoczesne roboty są wyposażone w stoły i części mocujące umożliwiające zamocowanie kilku elementów jednocześnie, w związku z czym stanowiska zrobotyzowane pozwalają na realizację również skomplikowanych kształtów.

Jak tłumaczy Dariusz Wabik, współczesne roboty spawalnicze, wyposażone w zmysły i inteligentne funkcje, umożliwiają spawanie takich detali, które jeszcze 10 lat temu nie były możliwe do wykonania. Spawanie adaptacyjne z wykorzystaniem funkcji śledzenia ścieżki spawania lub zewnętrznych sensorów, takich jak czujniki laserowe – to narzędzia umożliwiające pokonanie wielu wad materiału, niedokładności przygotowania czy błędów mocowania komponentów w przyrządach spawalniczych.

Na uwagę zasługuje fakt, że obecność w zakładzie zrobotyzowanego stanowiska spawalniczego wpływa na prestiż firmy. Robot spawalniczy sprzęgnięty z nowoczesnym źródłem postrzegany jest jako zaawansowane technicznie rozwiązanie, które na tle konkurencji wyróżnia firmę możliwościami i jakością wytwarzanych produktów.

Źródło: Lincoln Electric Bester

 

Motoryzacja na czele

Zdaniem ankietowanych automatyzacja spawania jest dominującym środkiem produkcyjnym w następujących obszarach: motoryzacja (71%), rurociągi i produkcja rur (65%), konstrukcje stalowe (53%), innego typu konstrukcje (35%), kolejnictwo oraz przemysł ciężki (24%) i stocznie (18%). Ponadto 12% respondentów wskazało na: transport, offshore, przemysł przetwórczy oraz produkcję ogólną, a 6% osób – na produkcję lotniczą.

Zdaniem przedstawiciela firmy FANUC procesy spawania są domeną firm produkujących detale z różnego rodzaju metali wykorzystywanych w przemyśle motoryzacyjnym, maszynowym, metalowym, elektronicznym oraz w wielu innych branżach. Jeśli chodzi o branże w największym stopniu wykorzystujące roboty przemysłowe, w tym spawalnicze, prym wiodą firmy z sektora motoryzacji, gdzie wymogi koncernów samochodowych wymuszają automatyzację procesów nie tylko ze względu na oczekiwaną wydajność i cenę detali, ale – przede wszystkim – oczekiwaną najwyższą jakość produktów. Stąd zarówno główni dostawcy, jak i ich podwykonawcy robotyzują procesy spawania, dzięki czemu w przemyśle zwiększa się udział zakładów, które dysponują technologią do zautomatyzowanego spawania łukowego.

Jak podkreśla Bartosz Głogowski z firmy Lincoln Electric Bester, są branże, w których praktycznie nie ma firm starających się chociażby umieścić w swoich planach budżetowych inwestycji w automatyzację spawania. Na przykład zakłady koncentrujące się na wykonawstwie konstrukcji ze stali nierdzewnych, austenitycznych zdają sobie sprawę, że jeśli już teraz nie zainwestują w automatyzację procesów spawalniczych, staną się coraz mniej konkurencyjni i będą przegrywać w pozyskiwaniu kolejnych zleceń. Również produkcja na potrzeby przemysłu samochodowego charakteryzuje się większościowym udziałem zautomatyzowanego spawania. Jedną z branż rozwijających się w naszym kraju w ostatnich latach, w której zakłady musiały zostać zautomatyzowane, aby produkcja była opłacalna, jest wykonywanie konstrukcji na potrzeby farm wiatrowych, jak również morskich.

Warto nadmienić, że roboty spawalnicze nie są wyłącznie domeną dużych przedsiębiorstw operujących na polskim rynku. Dzięki temu, że rozwiązania te są coraz prostsze w obsłudze, a ich cena jest niższa, korzystają z nich również firmy z sektora małych i średnich przedsiębiorstw.

Optymistyczne prognozy

Zdaniem 82% ankietowanych najbliższe lata przyniosą wzrost udziału automatyzacji spawania w produkcji w Polsce. 18% respondentów uważa, że udział ten utrzyma się na obecnym poziomie (rys. 3).

Jeśli chodzi o plany inwestycyjne w zakresie automatyzacji spawania, to 47% uczestników badania przyznało, że w ich zakładzie planowane są inwestycje w tym obszarze (rys. 4).

W opinii Dariusza Wabika aktualnie chyba nie ma zakładu produkcyjnego w Polsce, który nie byłby zainteresowany automatyzacją produkcji. Jedną z przyczyn tego stanu jest zwiększająca się liczba zleceń i rosnąca sprzedaż produktów własnych polskich producentów. W Polsce produkuje się bardzo dużo metalowych produktów, które wymagają spajania detali za pomocą spawania łukowego. Wszędzie tam, gdzie produkuje się elementy z blach i profili, istnieje konieczność łączenia detali, w większości metodą spawania łukowego. Potencjał do wzrostu liczby aktywnych robotów spawalniczych w Polsce jest więc bardzo duży.

Czynnikami, które będą sprzyjały dalszym inwestycjom w roboty spawalnicze, z pewnością będzie konieczność zastąpienia brakującej kwalifikowanej siły roboczej, podniesienie jakości produktu i wydajności całej produkcji. Odpływ z kraju wykwalifikowanej kadry, spawaczy i technologów, przy konieczności ciągłego podnoszenia wydajności i jakości w trosce o utrzymanie lub wzmocnienie konkurencyjności rynkowej zakładów powoduje, że wielu przedsiębiorców, zamiast pytać: „Czy warto robotyzować?”, zadaje pytanie: „W jaki sposób robotyzować?”.

Z obserwacji Bartosza Głogowskiego tendencja światowa idzie nie tylko w kierunku automatyzacji, ale również możliwie maksymalnego skrócenia czasu produkcji przy uzyskaniu najwyższej jakości. Przez co na Zachodzie szczególnym powodzeniem cieszą się rozwiązania łączące wielogłowicowe procesy spawania. U nas, póki co, są to pojedyncze inwestycje, ale wraz ze wzrostem świadomości oraz przy coraz wyższych kosztach pracy połączonych ze spadkiem dostępności specjalistów takie wdrożenia, mimo że droższe, będą i u nas cieszyć się większą popularnością. Dodatkowo produkcja ma się opierać na jak najmniejszej liczbie zmiennych, przez co wspomagające rozwiązania software’owe, dzięki którym planujemy, monitorujemy i archiwizujemy procesy, powinny już być standardem przy planowaniu inwestycji.


Raport powstał w oparciu o dane uzyskane z ankiety przeprowadzonej wśród czytelników magazynu Control Engineering Polska. Oprócz tego przy tworzeniu raportu bazowano na informacjach pochodzących od dostawców rozwiązań służących do automatyzacji procesów spawalniczych. Raport nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku.

Agata Abramczyk jest dziennikarką, publicystką, autorką tekstów, pasjonatką nowoczesnych technologii, od wielu lat związaną z branżą dziennikarską i wydawniczą.